第４期（总第１６１期） 机械工程与自动化 ＮＯ．４ ２０１０年８月 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ Ａｕｇ． 文章编号：１６７２—６４１３（２Ｏ１Ｏ）０４—０Ｏ２９一Ｏ３ 基于ＵＧ的冲压机参数化建模及运动仿真 李 波 （华中科技大学机械科学和工程学院，湖北 武汉４３００７４） 摘要：介绍了软件ＵＧ ＮＸ４．０的机构仿真功能，详细说明了ＵＧ运动仿真的方法和步骤。在此基础上对薄壁 零件冲压机的仿真过程作了较详细的陈述，给出了滑块的位移、速度和加速度曲线，为进一步进行动力学分析 奠定了基础。 关键词：ＵＧ参数化设计；三维建模；运动仿真；冲压机 中图分类号：ＴＧ３８５．１ 文献标识码：Ａ １ ＵＧ运动仿真模块（Ｍｏｔｉｏｎ） 如图１所示。 运动仿真模块（Ｓｃｅｎａｒｉｏ Ｆｏｒ Ｍｏｔｉｏｎ）是ＣＡＥ应 ２．２冲压机三维模型的建立 用模块，提供机构设计、分析、仿真和文档生成功能。 首先建立各个连杆的三维模型，然后利用装配功 当在仿真方案中创建连杆、运动副和定义运动驱动后， 能将各个连杆装配起来建立三维机构模型，如图２所 就可以以关节运动（Ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ）或运动仿真 示。 （Ａｎｉｍａｔｉｏｎ）形式仿真机构的运动。运动仿真模块可以 分析构件的位移、速度、加速度、作用力和力矩等，运 动的结果以图表和电子表格的形式绘出。可以克隆 （Ｃｌｏｎｅ）ｑＪ真方案，通过对克隆方案进行修改可以形成 不同的仿真分析方案；也可以在装配文件中建立一系 列不同的运动仿真方案，每个运动仿真方案均可 修改，而不影响装配主模型，一旦完成优化设计方案， 就可通过导出机构更新装配主模型，以反映优化设计 的结果。 图１冲压机的二维模型 ２薄壁零件冲压机三维建模 薄壁零件冲压机是用于将具有良好拉伸延展性的 薄金属板（如铝板）一次冲压成所规定形状的机械机 构 ２．１ 冲压机的机构设计 冲压机构采用六杆机构，可保证机构具有急回特 性和工作段近于匀速的特征，并使压力角尽可能小。用 一般的四杆急回机构，虽可满足急回要求，但其工作 行程的等速性能往往不好。其送料机构由四杆机构组 图２冲压机的三维模型 成，按机构的运动循环决定主动件和从动件的运动规 ２．２．１齿轮的参数化设计 律，在预定时间内将工件送至待加工的位置。利用ＵＧ 齿轮是冲压机中的主要传动件，它的主要作用是 Ｍｏｄｅｌｉｎｇ模块中的曲线功能建立冲压机的二维模型， 传递动力、改变运动方向和速度等。齿轮类零件的造 收稿日期：２００９一ｔ２－２４；修回日期：２０１０—０３—１２ 作者简介：李波（１９８１一），男，湖北武汉人，在读硕士研究生，研究方向：机械设计与理论。 ・３Ｏ・ 机械工程与自动化 ２０１０年第４期 型设计难点在于轮齿的生成，设计时应首先分析轮齿 （２）定义连杆特性：在ＵＧ中所有运动构件都可 以看成是连杆，可以分别定义Ｉ ００１￣Ｉ ０１１连杆。 （３）定义运动副：分别定义旋转副和齿轮副，均 为低副。其中ＪＯ１７为齿轮副，ＪＯＯｌ为固定连杆，ＪＯ１３ 为原动件。设定齿轮的角速度为３６０。／ｓ，使其匀速运 曲线，用数学方程描述轮齿曲线。根据数学方程建立 起一个轮齿，通过环形阵列即可创建整个齿轮模型。 本文根据设计要求，通过编辑齿轮的齿数、模数 和压力角等主要参数来获得所需齿轮的模型，如图３ 所示。 图３齿轮参数化模型 ２．２．２连杆的参数化设计 连杆是薄壁冲压机的主要连接构件，其建模过程 采用参数化设计能显著提高设计的速度和质量，并且 便于后期的优化设计处理。 先建立连杆的二维曲线图，如图４所示，然后进 行三维实体拉伸，如图５所示。 Ｉｐ４＝８６，０００ ＩＯ 图４连杆二维参数图 图５连杆三维模型图 ３冲压机的运动学仿真 在ＵＧ的应用中选择Ｍｏｔｉｏｎ便可以进入机构分 析模块。 ３．１ Ｍｏｔｉｏｎ模块中的预设置 （１）参数设置：首先要设置机构对象的各种参数， 本文选择角度单位为度，选择运动环境为运动学仿真。 动。 ３．２机构的运动仿真 单击运动仿真（Ａｎｉｍａｔｉｏｎ）图标，即启动运动仿真 分析过程。在“分析选项”对话框中选择静力／动力分析， 对冲压机构进行运动学分析。运动学分析按输入的时间 和步数进行，时间设为２ Ｓ（齿轮Ｌ０１３以３６０。／ｓ的速度 匀速转动，在１ Ｓ内正好旋转１周，完成１次工作循环）， 步数为４０步，即每步为０．０５ ｓ。在“分析选项”对话框 中单击【确定】按钮，启动ＡＤＡＭＳ解算器，进行运动 分析。运动分析完成后，“运动仿真”对话框自动弹出， 可以选择播放或单步的方式来进行运动仿真，即以动画 来表现机构的运动过程。运动的结果也可以以图表和电 子表格的形式绘出。调用Ｇｒａｐｈｉｎｇ功能绘出滑块（移动 副ＪＯＯ４一Ｚ方向）的位移、速度、加速度仿真结果，分别 如图６、图７、图８所示。 １５Ｏ １００ ５Ｏ 巨 ０ ５０ １００ １５０ ｔ／Ｓ 图６滑块的位移曲线 ２ １ ｌ 。∽ 吕 一 １ ｔ／ｓ 图７滑块的速度曲线 ｔ／ｓ 图８滑块的加速度曲线 ２０１０年第４期 机械工程与自动化 ・３１・ ４结束语 提高产品质量和性能有着积极的作用。 参考文献： 从各曲线中可以得到滑块的位移、速度、加速度 等信息。改变ＪＯＯｌ原动件的速度以及相关的机构参 数，相应地会得到新的设计结果，便于对机构的运动 特性进行控制。设计的更改可以反映在装配主模型复 制分析方案中，再重新分析，一旦确定优化的设计方 案，设计更改就可以直接反映到装配的主模型中。凭 借ＵＧ运动分析模块可以对机构进行过程模拟，为进 一Ｅｌｉ林莉．基于ＵＧ的齿轮参数化设计［Ｊ］．机械制造与研究， ２００６，３５（３）：７６—７７，８１． ［２］ 张方瑞，于鹰宇．ＵＧ ＮＸ２高级实例教程［Ｍ］．北京：电子 工业出版社，２００５． ［３］韩翔．ＵＧ工程系统应用与开发实例ＥＭ］．北京：清华大学 出版社，２００８． 步进行动力学分析奠定基础，对缩短产品开发周期、 Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｎｃｈ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＧ ＬＩ Ｂｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＵＧ ＮＸ４．０ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｈｏｗ ｔＯ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＧ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｓｈｏｗｅｄ ｉｎ ｇｒａｐｈｉｃ ａｎｄ ｓｐｒｅａｄｓｈｅｅｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｕｎｃｈ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｉｄｅ．Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｈａｓ ｌａｉｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＧ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ；３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｕｎｃｈ （上接第２８页） 参考文献： ［１］ Ｖｅｎｔｕｒａ Ｃ Ｅ，Ｈｏｒｙｎａ Ｔ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｂｙ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃａｎａｄａ［Ｇ］／／Ｐｒｏｃ ｏｆ １５ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．０ｒｌａｎｄｏ， Ｆｌｏｒｉｄａ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ ０ｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １９９７：２３４—２３９． ［３］ 傅志方，华宏星．模态分析理论与应用［Ｍ］．上海：上海交 通大学出版社，２０００． ｃｋｅｒ Ｒ．Ｕｓｉｎｇ ｅｎｈａｎｃｅｄ ［４］ Ｊａｃｏｂｓｅｎ Ｊ，Ａｎｄｅｒｓｅｎ Ｐ，Ｂｒｉｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｓ ａ ｒｏｂｕｓｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｏ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｇ］／／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＳＭＡ．Ｉｓ．１．］：ＩＳＭＡ，２００６：２１２９—３１４０． Ｅ５］ Ｂｒｉｎｃｋｅｒ Ｒ，Ａｎｄｅｒｓｅｎ Ｐ．Ａｎ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｏｄｅｓ ｉｎ ｏｕｔｐｕｔ－ｏｎｌｙ ｍｏｄａｌ ［２］ 夏禾，陈英俊．ＡＲ模型在桥梁模态参数识别中的应用 ［Ｇ］／／全国第六届振动理论应用会议论文集．［出版地不 详］：［出版者不详］，１９９１：３４５—３５２． ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｃ］／／Ｂ＆Ｋ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ．Ｓｈｅｎｙａｎｇ： Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００２：２１１－２２５． Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｋｕｒｔｏｓｉｓ ｉｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＬＩ Ｈｕａｉ－ｐｅｎｇ，ＹＵＥ Ｌｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ．Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｒｏｍ ａｃｔｕａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｅｖｅｒｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ’Ｓ ｋｕｒｔｏｓｉｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｒｏｍ ａｃｔｕａｌ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｉｇｎａ１．Ｂｅｆｏｒｅ ｕｓｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｎｄ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｕｓｉｎｇ ＧＡＲＴＥＵＲ ｐｌａｎｅ ｍｏｄｅｌ ｄａｔａ ａｎｄ ａ ｔｅｓｔ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｏｎ ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ａ ｍｏｔｏｒ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｋｕｒｔｏｓｉｓ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ｍｏｄａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
